王延年，李 浩，劉成濤

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

復合智能控制算法在恒溫控制系統(tǒng)中的應用

王延年，李 浩，劉成濤

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

針對傳統(tǒng)恒溫控制系統(tǒng)所存在的調(diào)節(jié)時間長，參數(shù)難以調(diào)整，控制效果不符合要求等問題，提出了一種復合智能控制算法。這種控制算法是在傳統(tǒng)的增量式PID算法的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化而得到的智能PID算法，輔以首次閥門開度技術(shù)、溫度斜率控制技術(shù)和閥門跟蹤技術(shù)而形成。同時系統(tǒng)具有自適應計算參數(shù)功能，可以適應不同地區(qū)和氣候條件。該系統(tǒng)既有較好的快速性，又有一定的抗干擾能力，可以在極短時間內(nèi)到達設(shè)定溫度，并且能夠有效的抑制溫度超調(diào)，最終實現(xiàn)恒溫出水。

復合智能控制；恒溫控制系統(tǒng)；PID控制

1 引 言

目前，多數(shù)過程控制系統(tǒng)仍然采用的是PID控制策略，這是因為這種控制具有直觀、實現(xiàn)簡易和魯棒性能良好等一系列優(yōu)點［1］。恒溫控制系統(tǒng)是過程控制的重要模型，對溫度控制系統(tǒng)的研究具有顯著的理論和實際意義。但是由于恒溫控制系統(tǒng)中的溫度具有大滯后、非線性、數(shù)學模型難于準確建立等特點，所以采用傳統(tǒng)的增量式PID控制算法難以獲得滿意的控制效果。為了滿足在工業(yè)控制中的運用，人們紛紛對傳統(tǒng)的PID控制算法進行了改進。論述了在進行恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計時，采用復合智能控制算法進行優(yōu)化設(shè)計。系統(tǒng)可以根據(jù)實時監(jiān)測到的進水溫度和環(huán)境溫度變化，根據(jù)不同的環(huán)境溫度自動切換到不同的PID參數(shù)的工作模式下，然后通過PID算法調(diào)節(jié)閥門開度，控制冷水的進水流量，進而控制水溫。為了快速且穩(wěn)定的達到目標溫度，該系統(tǒng)引入了首次閥門開度技術(shù)；為了控制溫度的快速上升和超調(diào)量過大，該系統(tǒng)引入了溫度斜率參與控制；為了防止閥門關(guān)死導致壓力過大致使機組保護停機，該系統(tǒng)引入了閥門跟蹤技術(shù)。最終，系統(tǒng)能在規(guī)定的時間范圍內(nèi)到達目標溫度且恒溫出水。

2 復合智能控制系統(tǒng)設(shè)計

下面表述的是一種復合智能控制系統(tǒng)，具體運用在直熱式空氣源熱泵恒溫調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中。本空氣源熱泵恒溫系統(tǒng)具有4個溫度傳感器，分別檢測出水溫度T1，水箱溫度T2，環(huán)境溫度T3和入水溫度T4這4種溫度。將采集到的4種溫度信號送到主控單元中進行分析與處理，然后采用復合智能控制算法來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度大小以及正反轉(zhuǎn)的方向，從而控制閥門的開度，進而控制冷水的進水流量，最終控制水溫。當水溫高于用戶的設(shè)定值時，增大閥門開度，使冷水大量進入，從而降低水溫；而當水溫低于用戶的設(shè)定溫度時，則減小閥門開度，減小冷水的流入量，使水溫上升。

復合智能控制系統(tǒng)是基于出水溫度、閥門開度以及環(huán)境條件等因素的數(shù)學分析模型，開發(fā)一種參數(shù)自整定、自調(diào)整的快速預測溫度控制軟件，為直熱式空氣能熱水器恒溫控制技術(shù)提供理論分析、核心技術(shù)，并應用于空氣能熱泵熱水器恒溫控制系統(tǒng)。溫度傳感器通過對恒溫控制系統(tǒng)中溫度信號的離散采樣，運用復合智能控制算法控制執(zhí)行機構(gòu)輸出，從而實現(xiàn)對恒溫系統(tǒng)的恒定溫度控制。

在工業(yè)控制對象中，恒溫控制系統(tǒng)是典型的一階系統(tǒng)，溫度是一個大慣性、純滯后的對象，由于干擾眾多，恒溫控制系統(tǒng)的精確模型難于建立，因此傳統(tǒng)的溫度控制方法難以滿足要求。由于本系統(tǒng)是通過控制閥門開度來控制冷水的進水流量，進而控制水溫，而水溫的上升和下降都需要一定的緩沖時間，單純的數(shù)字PID無法滿足控制要求，因此采用復合智能控制策略，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應過程。

圖1為復合智能控制算法結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方案。系統(tǒng)中的A/D采集將出水前的溫度離散采樣處理，反饋到輸入端。輸入的離散控制信號經(jīng)過D/A發(fā)送采用保持，轉(zhuǎn)換成模擬控制電平信號，以控制執(zhí)行機構(gòu)（電機、熱泵和閥門）輸出，被控對象（水溫）在執(zhí)行機構(gòu)的控制下改變閥門轉(zhuǎn)動角度，從而控制冷水的水流量。同時經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的偏差量反饋到主控單元進行趨勢判定，然后選擇合適的PID控制參數(shù)，當出水前的溫度與設(shè)定溫度有偏差時，數(shù)字調(diào)節(jié)單元就會對整個系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)處理，直到出水溫度與設(shè)定溫度一致，這個調(diào)節(jié)過程就到此完成。

圖1 復合智能控制算法結(jié)構(gòu)框圖

3 復合智能控制算法

在恒溫控制系統(tǒng)中，由于溫度具有大滯后、閥口出水的非線性、數(shù)學模型難以準確建立等特點，而常規(guī)的PID控制算法容易出現(xiàn)較大的超調(diào)，系統(tǒng)動態(tài)性能也較差，難以獲得滿意的控制效果［1］。因此，本復合智能控制算法由智能PID算法＋首次閥門開度技術(shù)＋溫度斜率參與控制技術(shù)＋閥門跟蹤技術(shù)＋自適應計算參數(shù)以構(gòu)成本系統(tǒng)優(yōu)化的調(diào)節(jié)算法。

3.1 智能PID控制算法

由于被控對象的數(shù)學模型難于建立，常規(guī)的PID控制無法滿足要求，引入智能控制的概念，提出一種適合本系統(tǒng)的智能PID控制算法［2］。智能PID控制算法是在傳統(tǒng)的增量式PID算法基礎(chǔ)上，根據(jù)前人和專家的經(jīng)驗以及操作人員的實際經(jīng)驗，針對具有大滯后、時變、非線性系統(tǒng)對象而提出的控制算法。

在該恒溫控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)通過控制閥門開度來控制進水流量，進而控制水溫，而水溫的上升和下降都需要一定的緩沖時間，所以該系統(tǒng)是一個典型的大滯后系統(tǒng)。加上環(huán)境溫度，進水溫度，水壓，水流量［3］的變化影響，出水溫度將滿足下列函數(shù)關(guān)系式：

其中λ為溫度影響因子，Q為水流量，P為水壓。

在恒溫控制系統(tǒng)中，為了可以減少整個溫控系統(tǒng)的延時性，在系統(tǒng)輸出誤差絕對值較大時，采用飽和輸出的工作方式。同時，為了防止系統(tǒng)過大的超調(diào)量，在系統(tǒng)誤差的絕對值在小范圍時，采用增大積分系數(shù)的辦法，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。因此本系統(tǒng)所采用的智能PID算法是一種非線性算法，可以顯著改善恒溫系統(tǒng)的動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)精度。

該系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)為電動流量調(diào)節(jié)閥，其開度控制是通過接通時間的長短來進行的，因此在引入PID控制時使用增量式［4－7］。

傳統(tǒng)的增量式PID算法［8］形式為：

式中e（k）為偏差量，u（k）為控制量，umak（k）為最大控制量。

智能PID控制規(guī)則如下：設(shè)定兩個偏差界限E1和E2，并且E1＜E2

規(guī)則1：如果｜e（k）｜＜E1，則u（k）＝u（k－1）

規(guī)則2：如果｜e（k）＞E2｜，則u（k）＝umak（k）

規(guī)則3：如果E1＜｜e（k）｜＜E2，則u（k）＝Δu（k）

由以上3條控制規(guī)則可以體現(xiàn)出系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。

3.2 首次閥門開度技術(shù)

系統(tǒng)會預先設(shè)置好4組PID參數(shù)，為了使水溫能夠快速且準確的達到設(shè)定溫度，在進行PID調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)會根據(jù)3號溫度傳感器采集到的環(huán)境溫度T3，與設(shè)定溫度T3s（用戶設(shè)定，默認值為20℃，參數(shù)設(shè)定范圍為－15℃～45℃）和設(shè)定參數(shù)ΔT3s（用戶設(shè)定，默認值為15℃，參數(shù)設(shè)定范圍為5℃～30℃）之間的關(guān)系來確定首次閥門的開度。若T3?T3s－ΔT3s，則系統(tǒng)選擇PID1的設(shè)定參數(shù)；若T3s－ΔT3s＜T3＜T3s，則系統(tǒng)選擇PID2的設(shè)定參數(shù)；若T3?T3s，則系統(tǒng)選擇PID3的設(shè)定參數(shù)。這樣可以保證水溫能快速穩(wěn)定的達到目標溫度。

3.3 溫度斜率參與控制技術(shù)

為了提高空氣能熱水器出水溫度達到60℃以上，有效防止溫度超調(diào)量過大，采取溫度斜率參與控制來提前控制溫度的快速上升。針對溫度上升階段，當閥門開度逐漸減小時，溫度上升曲線的斜率為遞增趨勢，這樣容易造成溫度超調(diào)量大，導致機組溫度過高而保護停機。在溫度上升階段加入斜率參與控制技術(shù)，當溫度的上升量大于設(shè)定值時，即當每10s溫度上升大于0.6℃時，閥門停止關(guān)閥動作，這樣能控制溫度上升的曲線斜率為遞減趨勢，給水溫變化留有合理的緩沖時間，防止超調(diào)量過大導致機組保護停機。

3.4 閥門跟蹤技術(shù)

在低溫情況下，系統(tǒng)加入了閥門跟蹤技術(shù)，即在閥門已經(jīng)接近處于全關(guān)位置，但是水溫還沒有達到設(shè)定溫度，這時就啟動閥門跟蹤，使閥門停在現(xiàn)在的位置，等著溫度上升，而不再進行關(guān)小閥門繼續(xù)調(diào)節(jié)，這樣既能達到目標溫度，又能防止在水溫接近目標溫度時，閥門頻繁動作［9］。同時在PID調(diào)節(jié)的同時加入閥門位置跟蹤，也有利于防止閥門關(guān)死導致機組壓力過大而停止工作。從首次開閥進入PID調(diào)節(jié)到T1（出水溫度）達到Tsp（目標溫度）的這一溫度上升時段內(nèi)參與，即當信號到來時從全開位置開始記錄單片機累計向閥門發(fā)出的脈沖個數(shù)n。設(shè)b為閥門目標開度，其值是一個由W，T3，T4，Tsp四個參數(shù)組成的函數(shù)f（W，T3，T4，Tsp），其計算公式為：

當n＝b時，則暫時屏蔽單片機向步進電機輸出脈沖，此后待T1溫度每10秒鐘上升幅度小于設(shè)定值時，并且T1＜Tsp則輸出脈沖屏蔽暫時退出，切入PID調(diào)節(jié)。此時閥門跟蹤繼續(xù)參與，若在T1＜Tsp時，出現(xiàn)了b＝N5（N5定義為閥門的最大開度），則再次屏蔽輸出脈沖，使T1每10秒鐘上升幅度小于設(shè)定值時，則本次閥門位置跟蹤結(jié)束。

3.5 自適應計算參數(shù)

系統(tǒng)一共有4組PID控制參數(shù)，通過3號溫度傳感器采集到的環(huán)境溫度可以確定不同的地區(qū)和不同的季節(jié)。同時將采集到的出水溫度和用戶的設(shè)定溫度進行比較計算出偏差，系統(tǒng)可以自動選擇前3種PID控制參數(shù)，同時系統(tǒng)還會通過2號溫度傳感器采集到水箱溫度T2。若系統(tǒng)正式進入PID調(diào)節(jié)15分鐘后，檢測到T2?SP－10℃且T2?60℃時（SP＝T1s－ΔTLs），則系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入PID4的調(diào)節(jié)狀態(tài)。所以本系統(tǒng)具有一定的自適應能力，可以適應不同地區(qū)和季節(jié)的恒溫出水。

3.6 復合智能控制系統(tǒng)流程

復合智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，具有自適應能力，可以根據(jù)環(huán)境溫度，進水溫度和水箱溫度自動切換到合適的PID參數(shù)組。在智能PID算法的基礎(chǔ)上輔以首次閥門開度技術(shù)，溫度斜率參與控制技術(shù)，閥門跟蹤技術(shù)形成了復合智能控制算法?？朔讼到y(tǒng)的調(diào)節(jié)滯后，響應緩慢，難以控制等問題。其流程圖如圖2所示。

圖2 程序主流程

4 測試結(jié)果與分析

系統(tǒng)經(jīng)過前期方案論證和軟硬件設(shè)計，在某型號熱泵熱水器上實際運行，獲得了滿足工業(yè)控制要求的控制曲線，由此可以證明復合智能控制算法所提出的控制策略和程序?qū)崿F(xiàn)方法符合實際控制要求。以下分別給出傳統(tǒng)數(shù)字PID控制算法和復合智能控制算法的恒溫系統(tǒng)控制曲線。其中環(huán)境溫度為20℃，目標溫度為60℃，圖3為采用傳統(tǒng)數(shù)字PID測試曲線，圖4為采用復合智能控制算法測試曲線。從圖3可知當設(shè)定溫度為60℃時，溫度需要經(jīng)過13分鐘的時間才能達到穩(wěn)定輸出狀態(tài)，輸出溫度約為58.5℃，溫度的超調(diào)量約為6℃。從圖4可知當設(shè)定溫度為60℃時，溫度需要經(jīng)過5分鐘就能達到穩(wěn)定輸出狀態(tài)，輸出溫度約為59.5℃，溫度的超調(diào)量約為1.5℃。

圖3 傳統(tǒng)數(shù)字PID測試曲線目標溫度60℃

圖4 復合智能控制算法測試曲線目標溫度60℃

比較測試曲線可以看出，這種算法可以獲得滿足工業(yè)控制要求的控制曲線，能減小調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量，能夠在較短的時間內(nèi)達到用戶設(shè)定的出水溫度。

5 結(jié)束語

在恒溫控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)特點，決定了它沒有準確的數(shù)學模型，所以采用傳統(tǒng)的PID控制算法并不能兼顧所有工況下的多項性能指標，如調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量等。復合智能控制算法是對傳統(tǒng)PID控制算法的優(yōu)化設(shè)計，并在實際控制平臺上運行，系統(tǒng)可以自動對PID參數(shù)進行選擇和整定，以達到理想的控制效果。由此可以證明復合智能控制算法具有廣闊的工程應用前景。

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Application of Com plex Intelligent Control Algorithm for Constant Tem perature Control System

Wang Yannian，Li Hao，Liu Chengtao
（School of Electronic Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

Aiming at the problems in the traditional constant temperature control system such as time－consuming regulation，the difficulty of adjusting parameters and failure control effect，the complex intelligent control algorithm is presented in this paper.It is obtained on the basis of optimization for traditional incremental PID algorithm，combining with the technologies of the first valve close，temperature slope control and valve tracking.The system has the function of self－adaptive computing parameters for different regions and climate conditions.It is conducted rapidly and has anti－interference ability，so the set temperature can be got within a very short time and the temperature overshoot can be restrained effectively for constant temperature water.

Complex intelligent control；Constant temperature control system；PID control

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.01.023

TP273

A

1002－2279（2015）01－0084－04

王延年（1963－），男，吉林長春人，教授，碩士研究生，主研方向：工業(yè)控制信息系統(tǒng)。

2014－06－11